초음파로 교반되는 연속 교반 탱크 반응기

연속 교반 탱크 반응기(CSTR)는 촉매, 에멀젼 화학, 중합, 합성, 추출 및 결정화를 포함한 다양한 화학 반응에 널리 적용됩니다. 느린 반응 역학은 CSTR의 일반적인 문제이며, 이는 전력 초음파의 적용으로 쉽게 극복 할 수 있습니다. 파워 초음파의 강렬한 혼합, 교반 및 초음파 화학 효과는 반응 역학을 가속화하고 변환 속도를 크게 향상시킵니다. 초음파는 모든 볼륨의 CSTR에 쉽게 통합 될 수 있습니다.

연속적으로 교반되는 탱크 반응기에 전력 초음파를 적용하는 이유는 무엇입니까?

연속 교반 탱크 반응기 (CSTR 또는 간단히 교반 탱크 반응기 (STR))는 배치 반응기와 매우 유사한 주요 특성입니다. 가장 중요한 차이점은 연속 교반 탱크 반응기(CSTR) 설정을 위해 물질의 공급이 반응기 안팎으로 연속적인 흐름으로 제공되어야 한다는 것입니다. 반응기에 공급하는 것은 펌프를 사용하는 중력 흐름 또는 강제 순환 흐름에 의해 달성 될 수 있습니다. CSTR은 역혼합류 반응기(BMR)라고도 합니다.
CSTR은 두 개 이상의 액체를 교반해야 할 때 일반적으로 사용됩니다. CSTR은 단일 반응기로 사용하거나 다양한 농도 스트림 및 반응 단계에 대한 일련의 구성으로 설치할 수 있습니다. 단일 탱크 반응기를 사용하는 것 외에도 다양한 탱크의 직렬 설치(차례로) 또는 캐스케이드 설정이 일반적으로 사용됩니다.
왜 초음파인가? 초음파 혼합 및 교반뿐만 아니라 전력 초음파의 초음파 화학적 효과는 화학 반응의 효율성에 기여하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 초음파 진동 및 캐비테이션으로 인한 향상된 혼합 및 입자 크기 감소는 크게 가속화된 역학과 향상된 전환율을 제공합니다. Sonochemical 효과는 화학 반응을 시작하고, 화학 경로를 전환하고, 보다 완전한 반응으로 인해 더 높은 수율을 제공하는 데 필요한 에너지를 전달할 수 있습니다.

초음파 강화 CSTR은 다음과 같은 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

• 이질적인 액체-액체 반응
• 이종 고체-액체 반응
• 균질한 액상 반응
• 이종 기체-액체 반응
• 이종 기체-고체-액체 반응

고속 합성 화학 시스템으로서의 초음파 처리

고속 합성 화학은 화학 합성을 시작하고 강화하는 데 사용되는 새로운 반응 기술입니다. 환류 상태에서 몇 시간 또는 며칠이 필요한 기존 반응 경로와 비교할 때 초음파 촉진 합성 반응기는 반응 시간을 몇 분으로 최소화하여 합성 반응을 크게 가속화할 수 있습니다. 초음파 합성 강화는 음향 캐비테이션의 작동 원리와 국부적으로 제한된 과열을 포함한 관련 힘을 기반으로합니다. 다음 섹션에서 초음파, 음향 캐비테이션 및 초음파 화학에 대해 자세히 알아보십시오.

초음파 캐비테이션과 그 Sonochemical 효과

초음파(또는 음향) 캐비테이션은 전력 초음파가 액체 또는 슬러리에 결합될 때 발생합니다. 캐비테이션은 액체 상태에서 증기 상태로의 전환으로, 유체의 증기 장력 수준까지 압력 강하로 인해 발생합니다.
초음파 캐비테이션은 최대 1000m/s의 매우 높은 전단력과 액체 제트를 생성합니다. 이러한 액체 제트는 입자를 가속하고 입자 간 충돌을 일으켜 고체와 액적의 입자 크기를 줄입니다. 또한 – 내파하는 캐비테이션 버블 내부 및 근접한 곳에 국한됨 – 수백 개의 기압과 수천 켈빈 정도의 온도에 대한 매우 높은 압력이 생성됩니다.
초음파는 순전히 기계적 처리 방법이지만 국부적으로 제한된 극한의 온도 상승을 일으킬 수 있습니다. 이것은 붕괴하는 캐비테이션 기포 내부와 근접에서 생성되는 강렬한 힘 때문이며, 여기서 섭씨 수천 도의 온도에 쉽게 도달할 수 있습니다. 벌크 솔루션에서 단일 기포 내파로 인한 온도 상승은 거의 무시할 수 있지만 캐비테이션 핫스팟에서 관찰되는 수많은 캐비테이션 기포의 열 방출 (고출력 초음파로 초음파 처리에 의해 생성 됨)은 최종적으로 벌크 온도에서 측정 가능한 온도 증가를 유발할 수 있습니다. 초음파 처리 및 초음파 화학의 장점은 처리 중 제어 가능한 온도 효과에 있습니다 : 벌크 용액의 온도 제어는 냉각 재킷이있는 탱크와 펄스 초음파 처리를 사용하여 달성 할 수 있습니다. Hielscher 초음파의 정교한 초음파는 온도 상한에 도달하면 초음파를 일시 중지하고 세트 ∆T의 낮은 값에 도달하자마자 초음파를 계속할 수 있습니다. 이는 열에 민감한 반응물을 사용할 때 특히 중요합니다.

Sonochemistry, 반응 역학 개선

초음파 처리는 강렬한 진동과 캐비테이션을 생성하기 때문에 화학 역학이 영향을받습니다. 화학 시스템의 동역학은 캐비테이션 기포 팽창 및 내파와 밀접한 관련이 있으며, 이로 인해 기포 운동의 역학에 상당한 영향을 미칩니다. 화학 반응 용액에 용해된 가스는 열 효과와 화학적 효과를 통해 초음파 화학 반응의 특성에 영향을 미칩니다. 열 효과는 캐비테이션 보이드 내에서 기포 붕괴 중에 도달하는 피크 온도에 영향을 미칩니다. 화학적 효과는 반응에 직접 관여하는 가스의 효과를 수정합니다.
Suzuki 커플링 반응, 침전, 결정화 및 에멀젼 화학을 포함한 느린 반응 역학을 가진 이종 및 균질 반응은 전력 초음파 및 그 초음파 화학 효과를 통해 시작되고 촉진될 예정입니다.
예를 들어, 페룰산 합성의 경우 180W의 전력에서 저주파 (20kHz) 초음파 처리는 3 시간 내에 60 ° C에서 94 %의 페룰산 수율을 얻었습니다. Truong et al. (2018)의 이러한 결과는 저주파(혼 유형 및 고출력 방사선 조사)를 사용하면 전환율이 크게 향상되어 90% 이상의 수율을 제공한다는 것을 보여줍니다.

Ultrasonically Intensified Emulsion Chemistry(초음파 강화 에멀젼 화학)

에멀젼 화학과 같은 이종 반응은 전력 초음파의 적용으로 상당한 이점을 얻을 수 있습니다. 초음파 캐비테이션은 각 상의 방울을 서로 균질하게 감소시키고 분포시켜 서브 미크론 또는 나노 에멀젼을 생성했습니다. 나노 크기의 액적은 다른 액적과 상호 작용할 수 있는 표면적이 크게 증가하기 때문에 물질 전달 및 반응 속도가 크게 향상됩니다. 초음파 처리 하에서, 일반적으로 느린 동역학으로 알려진 반응은 극적으로 향상된 전환율, 더 높은 수율, 더 적은 부산물 또는 폐기물 및 더 나은 전반적인 효율성을 보여줍니다. 초음파로 개선된 에멀젼 화학은 종종 에멀젼 중합에 적용되며, 예를 들어 고분자 혼합물, 수성 접착제 및 특수 고분자를 생산합니다.

화학 반응기를 구입하기 전에 알아야 할 10가지 사항

화학 공정을 위해 화학 반응기를 선택할 때 최적의 화학 반응기 설계에 영향을 미치는 많은 요소가 있습니다. 화학 공정에 다상, 이종 화학 반응이 포함되고 반응 역학이 느린 경우, 반응기 교반 및 공정 활성화는 성공적인 화학 변환과 화학 반응기의 경제적(운영) 비용에 영향을 미치는 필수 요소입니다.
초음파는 화학 배치 반응기 및 인라인 반응 용기에서 액체 - 액체 및 액체 - 고체 화학 반응의 반응 역학을 크게 향상시킵니다. 따라서 화학 반응기에 초음파 프로브를 통합하면 반응기 비용을 절감하고 전반적인 효율성과 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있습니다.
종종 화학 반응기 엔지니어링은 초음파 보조 공정 향상에 대한 지식이 부족합니다. 전력 초음파, 초음파 교반, 음향 캐비테이션 및 초음파 화학 효과가 화학 반응기 성능에 미치는 영향에 대한 심오한 지식이 없으면 화학 반응기 분석 및 기존 설계 기초는 열등한 결과만 생성할 수 있습니다. 아래에서는 화학 반응기 설계 및 최적화를 위한 초음파의 근본적인 이점에 대한 개요를 얻을 수 있습니다.

초음파 강화 연속 교반 탱크 반응기 (CSTR)의 장점

• • 실험실 및 생산을 위한 초음파 강화 반응기:
    간편한 확장성: 초음파 프로세서는 실험실 크기, 파일럿 및 대규모 생산에 쉽게 사용할 수 있습니다.
    재현 가능/반복 가능 정밀하게 제어 가능한 초음파 매개변수로 인한 결과
    용량 및 반응 속도: 초음파 강화 반응이 더 빠르고 경제적입니다 (비용 절감).
  • Sonochemistry는 일반 및 특수 목적에도 적용할 수 있습니다.

– 적응성 & 다양성(예: 유연한 설치 및 설정 옵션, 학제 간 사용)

• 초음파는 폭발성 환경에서 사용할 수 있습니다.
  – 퍼지(예: 질소 블랭킷)
  – 열린 표면 없음
• 간단한 세척 : 자체 세척 (CIP – clean-in-place)
• 선호하는 건축 자재를 선택하십시오
  – 유리, 스테인리스강, 티타늄
  – 로터리 씰 없음
  – 실란트의 다양한 선택
• 초음파기는 광범위한 온도에서 사용할 수 있습니다
• 초음파기는 광범위한 압력에서 사용할 수 있습니다
• 다른 기술과의 시너지 효과, 예를 들어 전기 화학(sono-electrochemistry), 촉매 작용(sono-catalysis), 결정화(sono-crystallization) 등
• 초음파 처리는 발효와 같은 생물 반응기를 향상시키는 데 이상적입니다.
• 용출/용해: 용출 공정에서 입자는 한 단계에서 다른 단계로 전달됩니다(예: 고체 입자가 액체에 용해될 때). 교반의 정도가 프로세스의 속도에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 많은 작은 결정은 기존의 교반 반응기에서보다 초음파 캐비테이션에서 훨씬 더 빨리 용해됩니다. 여기에서도 속도가 다른 이유는 입자 표면에서 질량 전달 속도가 다르기 때문입니다. 예를 들어, 초음파는 예를 들어 결정화 공정 (초음파 결정화)에서 과포화 용액을 만드는 데 성공적으로 적용됩니다.
• 초음파로 승진된 화학 적출:
  – 액체-고체(예: 식물 추출, 화학적 추출)
  – 액체-액체: 초음파가 액체-액체 추출 시스템에 적용되면 다른 상 중 하나의 에멀젼이 생성됩니다. 이러한 에멀젼 형성은 두 개의 비혼화성 상 사이의 계면 면적을 증가시켜 상 간의 질량 전달 플럭스를 향상시킵니다.

초음파 처리는 교반 탱크 반응기에서 화학 반응을 어떻게 개선합니까?

• 더 큰 접촉 표면적: 이질적인 상의 반응물 간의 반응에서는 계면에서 서로 충돌하는 입자만 반응할 수 있습니다. 인터페이스가 클수록 더 많은 충돌이 발생할 수 있습니다. 물질의 액체 또는 고체 부분이 연속상 액체에 부유하는 더 작은 물방울 또는 고체 입자로 분해됨에 따라 이 물질의 표면적이 증가합니다. 또한, 크기 감소의 결과로 입자의 수가 증가하므로 이러한 입자 사이의 평균 거리가 감소합니다. 이렇게 하면 분산상에 대한 연속상의 노출이 향상됩니다. 따라서 반응 속도는 분산상의 단편화 정도에 따라 증가합니다. 분산 또는 에멀젼의 많은 화학 반응은 초음파 입자 크기 감소의 결과로 반응 속도의 급격한 개선을 보여줍니다.
• 촉매 작용 (활성화 에너지): 촉매는 많은 화학 반응, 실험실 개발 및 산업 생산에서 매우 중요합니다. 종종 촉매는 고체 또는 액체 상태이며 하나의 반응물 또는 모든 반응물과 혼합되지 않습니다. 따라서 종종 촉매 작용은 이질적인 화학 반응입니다. 황산, 암모니아, 질산, 에텐 및 메탄올과 같은 가장 중요한 기본 화학 물질의 생산에서 촉매는 중요한 역할을 합니다. 환경 기술의 많은 분야는 촉매 공정을 기반으로 합니다. 입자의 충돌은 입자가 충분한 운동 에너지로 충돌하는 경우에만 화학 반응, 즉 원자의 재편성으로 이어집니다. 초음파는 화학 반응기의 동역학을 증가시키는 매우 효율적인 수단입니다. 이종 촉매 공정에서 화학 반응기 설계에 초음파를 추가하면 촉매에 대한 요구 사항을 낮출 수 있습니다. 이로 인해 더 적은 촉매 또는 열등하고 덜 고귀한 촉매를 사용할 수 있습니다.
• 더 높은 접촉 주파수 / 향상된 질량 전달: 초음파 혼합 및 교반은 미세한 입자와 입자(즉, 서브미크론 및 나노 입자)를 생성하는 매우 효과적인 방법이며, 이는 반응을 위한 더 높은 활성 표면을 제공합니다. power-ultrasound에 의한 추가적인 강렬한 교반과 미세한 움직임 하에서 입자 간 접촉의 빈도가 급격히 증가하여 전환율이 크게 향상됩니다.
• 압축 플라즈마: 많은 반응에서 반응기 온도가 10켈빈 상승하면 반응 속도가 대략 두 배가 됩니다. 초음파 캐비테이션은 화학 반응기의 전체 액체 부피를 크게 가열하지 않고 액체 내에서 최대 5000K의 국부적인 고반응성 핫스팟을 생성합니다.
• 열 에너지: 화학 반응기 설계에 추가하는 모든 초음파 에너지는 최종적으로 열 에너지로 변환됩니다. 따라서 화학 공정에 에너지를 재사용할 수 있습니다. 발열체 또는 증기에 의해 입력되는 열 에너지 대신, 초음파는 고주파 진동을 통해 기계적 에너지를 활성화하는 과정을 도입합니다. 화학 반응기에서 이것은 여러 수준에서 화학 공정을 활성화하는 초음파 캐비테이션을 생성합니다. 마지막으로 화학 물질의 엄청난 초음파 전단은 열 에너지, 즉 열로 변환됩니다. 화학 반응에 대한 일정한 공정 온도를 유지하기 위해 재킷형 배치 반응기 또는 인라인 반응기를 냉각에 사용할 수 있습니다.

CSTR에서 향상된 화학 반응을위한 고성능 초음파기

Hielscher 초음파는 연속 교반 탱크 반응기 (CSTR)에 통합하기 위해 고성능 초음파 균질화 기 및 분산기를 설계, 제조 및 유통합니다. Hielscher 초음파는 화학 반응을 촉진, 강화, 가속 및 개선하기 위해 전 세계적으로 사용됩니다.
Hielscher Ultrasonics’ 초음파 프로세서는 소형 실험실 장치에서 유동 화학 응용 분야를 위한 대형 산업용 프로세서에 이르기까지 모든 크기로 제공됩니다. 초음파 진폭 (가장 중요한 매개 변수)을 정밀하게 조정하면 Hielscher 초음파를 낮은 진폭에서 매우 높은 진폭으로 작동하고 진폭을 특정 화학 반응 시스템의 필요한 초음파 공정 조건에 맞게 정확하게 미세 조정할 수 있습니다.
Hielscher의 초음파 발생기는 자동 데이터 프로토콜링 기능이있는 스마트 소프트웨어를 갖추고 있습니다. 초음파 에너지, 온도, 압력 및 시간과 같은 모든 중요한 처리 매개 변수는 장치를 켜는 즉시 내장 SD 카드에 자동으로 저장됩니다.
공정 모니터링 및 데이터 기록은 지속적인 공정 표준화 및 제품 품질에 중요합니다. 자동으로 기록 된 프로세스 데이터에 액세스하여 이전 초음파 처리 실행을 수정하고 결과를 평가할 수 있습니다.
또 다른 사용자 친화적 인 기능은 디지털 초음파 시스템의 브라우저 원격 제어입니다. 원격 브라우저 제어를 통해 어디서나 원격으로 초음파 프로세서를 시작, 중지, 조정 및 모니터링 할 수 있습니다.
당사의 고성능 초음파 균질화기에 대해 자세히 알아 보려면 지금 문의하십시오. 연속 교반 탱크 반응기 (CSTR)를 개선 할 수 있습니다!
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.